Modélisation des pompes àchaleur air-air

L’étude des possibilités de récupération de chaleur par voie thermodynamique nécessite, on l’a vu au chapitre précédent, de disposer d’un modèle global intégrant à la fois un modèle d’enveloppe et un modèle de PAC qui interagissent l’un avec l’autre. L’utilisation de l’air des zones tempérées du bâtiment comme source froide de la pompe à chaleur tend à réduire leur température et à augmenter les déperditions de chaleur avec l’espace chauffé. Cependant la PAC fonctionne dans des conditions plus favorables, délivre plus de chaleur, et consomme moins d’énergie. La modélisation classique du couple système/enveloppe, essentielle dans l’évaluation des consommations futures d’énergie des bâtiments, suit généralement la structure présentée figure 24, inspirée de [ASHR2005] [GARD2001]. Cette structure dans le cas de la récupération de chaleur fait apparaître de nouvelles interactions spécifiques à cette problématique qu’il est essentiel de prendre en compte. La première étape repose sur le calcul des besoins de chauffage, qui correspondent à la quantité d’énergie qui doit être apportée aux locaux à chauffer pour satisfaire le confort thermique. Dans notre cas, elle est réalisée par l’outil de simulation dynamique de thermique du bâtiment Pléiades+Comfie [PEUP1990]. La seconde étape consiste à traduire les besoins de chauffage en une charge thermique nécessaire à l’entrée du réseau de distribution et d’émission de la chaleur (appelé système secondaire) prenant en compte les pertes ou gains de chaleur le long de celui-ci. On verra qu’avec un jeu d’hypothèses adapté, cette étape pourra être simplifiée. Un lien direct pourra être fait entre les besoins de chauffage et le système primaire de production de chaleur, notamment lorsque le vecteur d’énergie se trouve être de l’air. La troisième étape a pour objet d’étudier le comportement du système primaire de production de chaleur, c’est-à-dire la PAC, sur l’ensemble du spectre de son fonctionnement en vue d’estimer ses consommations d’énergie sur une période de simulation données. Le présent chapitre se focalise sur cette troisième étape et le développement d’un modèle de PAC air-air comme système de production de chaleur. Les nouvelles interactions système/enveloppe à prendre en compte dans le cadre de l’étude de la récupération de chaleur, nécessitent une adaptation des modèles déjà existants, habituellement utilisés dans des configurations de mise en œuvre standard. Ce chapitre présente la démarche suivie dans le choix et l’amélioration de modèles pertinents de PAC pour leur intégration dans le logiciel de thermique du bâtiment COMFIE. Une analyse bibliographique fait apparaître les différents modèles d’ores et déjà disponibles dans la littérature. Leur niveau de détail, les données techniques nécessaires à leur paramétrage, ainsi que leur concordance avec le cahier des charges préalablement établi (§ 7, chapitre 1), orientent la sélection vers plusieurs modèles qu’il convient d’analyser, de comparer et d’améliorer le cas échéant. Ces modèles sont empiriques ou semi-empiriques et prévoient le comportement de la PAC sur l’ensemble de ses modes de fonctionnement: pleine charge, charge partielle, givrage/dégivrage. Ces modèles nécessitent pour leur paramétrage une série de points de fonctionnement représentative des différents régimes de fonctionnement. Ces points peuvent provenir de catalogues constructeurs, de tables de puissances et de performances issues de modèles détaillés, ou de résultats de travaux de la littérature. L’analyse de ces différentes sources d’informations, souvent imprécises quant à leur réel contenu (on le verra notamment en ce qui concerne les données catalogues de constructeurs), orientent le choix de points de fonctionnement vers des résultats issus d’un modèle détaillé pour le régime de fonctionnement à pleine charge, et de résultats de travaux de la littérature pour le régime de fonctionnement à charge partielle, et concernant la dégradation des performances des cycles de givrage/dégivrage. Ce chapitre présente la méthode ayant mené au choix d’un modèle adapté de PAC, sur la base d’une compilation de modèles existants et d’amélioration concernant les aspects de fonctionnement à charge partielle et de dégradation des performances des -60- Figure 24: Structuration de la modélisation système/enveloppe Orientation Forme Matériaux de construction Zones thermiques Scénario de consigne de chauffage Scénario d’occupation Scénario d’apports internes Scénario de ventilation Infiltrations Vecteur d’énergie (air/eau) Dimensionnement Auxiliaires Régulation DESCRIPTION DU SYSTÈME PRIMAIRE Type de système Type d’énergie Performances nominales Dimensionnement Auxiliaires Régulation Température sèche Humidité relative Rayonnement solaire Vitesse du vent Besoin thermique horaire Charge thermique horaire Consommation d’énergie et performance Interactions Interactions Température de zones horaire Interactions Structuration classique Nouvelles interactions Chapitre 2 – Modélisation des pompes à chaleur air-air cycles de dégivrage.

Analyse des données constructeurs 

Définitions préalables

 Auparavant il semble nécessaire de présenter et d’éclaircir une série de termes et définitions utilisés dans la suite du rapport, caractérisant les conditions et le régime de fonctionnement d’une PAC dans le cadre d’essais normalisés ou non. Ce sera l’occasion de mener une réflexion de fond sur l’interprétation des données disponibles auprès des fabricants, et des liens qui peuvent être établis entre ces données et leur utilisation pour le développement de modèles numérique de PAC. 

Conditions de fonctionnement

 Les conditions de fonctionnement sont relatives à l’état des sources chaudes et froides de la PAC. Elles sont indépendantes de son régime de fonctionnement et peuvent être nominales ou non-nominales. Le régime de fonctionnement, quant à lui, est relatif à la vitesse de rotation et donc au régime de fonctionnement du compresseur. -61- Chapitre 2 – Modélisation des pompes à chaleur air-air Il peut être à charge partielle, à pleine charge, et dans certains cas au delà de la pleine charge (voir paragraphe 4.2.2.). 

Conditions nominales

 On définit la performance nominale comme la « performance mesurée dans les conditions d’essais appropriées » définies par la norme NF EN 14511. Ce sont les « conditions obligatoires utilisées pour le marquage à des fins de comparaison ou de certification ». La puissance nominale est alors définie comme la « puissance mesurée dans les conditions de performance nominale » pour un régime de fonctionnement du compresseur donné. Pour les pompes à chaleur air-air en mode chauffage, les conditions d’essais nominales sont rappelées dans le tableau 5. On notera par la suite les conditions d’essais sous la forme : température sèche coté extérieur / température sèche coté intérieur